加工參數(shù)對激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V表面完整性的影響

吳 男，張 棋

(沈陽航空航天大學(xué) a.電子信息工程學(xué)院，b.機(jī)電工程學(xué)院，沈陽 110136)

鈦合金材料具有比強(qiáng)度高、耐蝕性和耐熱性好等性能優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備等國防工業(yè)和石油化工、生物醫(yī)療等民用領(lǐng)域.由于鈦合金具有熱導(dǎo)率低、高溫化學(xué)活性高和彈性模量小等特點(diǎn)，在切削加工過程中存在切削溫度高、切削變形和冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重及易粘刀等現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具易磨損且表面加工質(zhì)量差，使鈦合金成為典型的難加工材料[1].研究表明，激光沉積制造技術(shù)具有成形速度較快、周期較短、近凈成形等優(yōu)勢特點(diǎn)，但成形件也存在著表面粗糙且存在缺陷，表層組織分布不均勻等缺點(diǎn)，使其疲勞性能受到限制[2].

對于現(xiàn)代生產(chǎn)來說，除了確保加工精度之外，還應(yīng)該保證加工后工件具有良好的力學(xué)性能.表面完整性是一種強(qiáng)化的或者無損傷的表面狀態(tài)，這種表面狀態(tài)是通過控制加工工藝方法形成的，它是零件表層材料在加工過程中發(fā)生的一系列變化以及這些變化對零件服役性能影響的總體描述.傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中主要以零件的形狀精度為檢測目標(biāo)，該檢測方法不足以評價(jià)加工質(zhì)量的優(yōu)劣，更無法保證零件的疲勞壽命，這就需要進(jìn)一步對材料的加工表面完整性進(jìn)行檢測.

目前，部分國內(nèi)外專家、學(xué)者研究了傳統(tǒng)鈦合金的銑削優(yōu)化方法.杜舜堯[3]通過對TB17鈦合金進(jìn)行不同加工參數(shù)的銑削試驗(yàn)，分析了銑削參數(shù)對工件的加工表面完整性產(chǎn)生較大影響的原因，其中對工件表面粗糙度影響比較明顯的參數(shù)包括每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap、切削速度vc.在加工硬化方面，刀具結(jié)構(gòu)尺寸也會(huì)對其產(chǎn)生一定影響，同時(shí)通過冷卻處理可以使加工硬化程度降低.劉占起等[4]對TC4鈦合金進(jìn)行了激光3D打印，確定了最佳打印參數(shù)，利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對TC4鈦合金單道打印層的成形質(zhì)量等進(jìn)行觀測與分析.研究結(jié)果表明，TC4鈦合金在最佳工藝參數(shù)情況下打印成形良好.閆凱強(qiáng)等[5]應(yīng)用單因素試驗(yàn)法，在不同背吃刀量、銑削速度等條件下，研究了刀齒切削力的變化情況.結(jié)果表明，在面銑刀銑削鈦合金時(shí)，改變背吃刀量的大小對切削力影響最大.Al-Shimaa等[6]對不同工藝參數(shù)和刀具材料的Ti6Al4V合金進(jìn)行干車削研究.在相同的進(jìn)給率、切削速度、切削深度等條件下，比較使用CBN和涂層陶瓷刀片車削Ti6Al4V合金時(shí)的表面粗糙度，其中使用涂層陶瓷刀片時(shí)表面粗糙度提高了34%.CBN刀片在最小切深、低進(jìn)給率和高切削速度下獲得更好的結(jié)果.Sun等[7]對TB6鈦合金正交車削加工表面完整性進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容為切削參數(shù)和工藝系統(tǒng)振動(dòng)對已加工表面粗糙度和缺陷的影響.結(jié)果表明，進(jìn)給速度對表面粗糙度、殘余應(yīng)力和顯微硬度有顯著影響.加工系統(tǒng)的振動(dòng)頻率與表面粗糙度輪廓相似，證明加工系統(tǒng)的振動(dòng)也是限制加工表面質(zhì)量的重要因素之一.

目前，針對傳統(tǒng)鈦合金Ti6Al4V加工的研究較多，但是對沉積鈦合金的切削、銑削加工研究較少，加工過程中大多依然采用傳統(tǒng)鍛造鈦合金的加工參數(shù)加工增材鈦合金.本文針對激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V試件，采用正交試驗(yàn)的方法對其進(jìn)行銑削試驗(yàn)，重點(diǎn)觀測了試驗(yàn)樣塊的切削力、表面形貌、表面粗糙度、亞表面損傷.研究影響工件加工表面完整性的工藝參數(shù)，對于在加工過程中如何改善激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V表面完整性具有重要意義.

1 銑削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料性能

在本試驗(yàn)中，所用到的材料為激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V樣塊，制備過程采用激光同軸送粉工藝，以Ti6Al4V球形粉末為原料，利用激光沉積制造系統(tǒng)完成.采用單道多層的沉積制造技術(shù)，試驗(yàn)時(shí)沿z軸方向沉積Ti6Al4V粉末，激光功率為2.4 kW，掃描速度為10 mm/s，熱處理溫度為600 ℃，時(shí)間為4 h.材料的性能參數(shù)[8-9]如表1所示.

表1 試驗(yàn)材料性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

銑削試驗(yàn)主要采用三坐標(biāo)機(jī)床VMC850B.在銑削試驗(yàn)過程中，連接三向壓電陶瓷測力儀(KISTLER9257B)，可以記錄切削力的大小；采用ZYGO New View9000白光干涉儀對樣塊表面粗糙度進(jìn)行檢測；應(yīng)用掃描電子顯微鏡HITACHI、VHX超景深三維顯微鏡對銑削試驗(yàn)工件的表面形貌進(jìn)行觀測；利用掃描電子顯微鏡HITACHI對樣塊的亞表面損傷進(jìn)行檢測.在本試驗(yàn)中，主要使用的刀具為硬質(zhì)合金刀具(YG類).

1.3 加工參數(shù)

本文主要采用四因素三水平的正交試驗(yàn)L9(34)，結(jié)合鈦合金的加工經(jīng)驗(yàn)制定試驗(yàn)參數(shù)[10].在正交試驗(yàn)中，試驗(yàn)設(shè)置的切削速度為30、50、70 m/min，每齒進(jìn)給量為0.03、0.05、0.07 mm，切削深度選擇0.5、0.7、0.9 mm，切削寬度為4.0、4.5、5.0 mm.具體選擇的參數(shù)如表2所示.

表2 正交試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 切削力

在對鈦合金進(jìn)行銑削試驗(yàn)時(shí)，利用三向壓電陶瓷測力儀和DynoWare軟件對每一組的銑削過程進(jìn)行切削力的記錄.穩(wěn)定切削力階段Fx的平均值及極差分析如圖1和表3所示.

圖1 激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V的Fx平均值

由表3可知，銑削加工參數(shù)對切削力Fx的影響由大到小依次為：每齒進(jìn)給量、切削深度、切削速度、切削寬度.以切削力Fx最小為優(yōu)化目標(biāo)獲得的各工藝參數(shù)優(yōu)化水平為：fz=0.03 mm、vc=70 m/min、ap=0.7 mm、ac=5 mm.

表3 切削力極差分析計(jì)算

圖2為各加工參數(shù)對切屑力的影響.由圖2可以看到各加工參數(shù)對軸向力的影響趨勢.每齒進(jìn)給量、切削速度、切削寬度對進(jìn)給力影響效果相似，即增加這幾個(gè)參數(shù)的大小，進(jìn)給力均是先增大后減小.隨著每齒進(jìn)給量、切削速度、切削寬度的增大，切削力也會(huì)增大；但是每齒進(jìn)給量繼續(xù)增大時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)變小，剪切角會(huì)增大，變形系數(shù)也會(huì)減小；此時(shí)，切削力會(huì)不斷減小[11].此外，研究發(fā)現(xiàn)切削深度與上述參數(shù)對軸向力有正好相反的影響效果，即增大切削深度，進(jìn)給力是先減小而后不斷增大.主要原因是在增大切削深度的過程中，切削熱增加到一定程度時(shí)，加工試件發(fā)生了熱軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致切削力不斷變小；但是繼續(xù)增大切削深度，加工試件變形抗力也隨之變大，導(dǎo)致切削力不斷變大[12].根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在銑削加工過程中，每齒進(jìn)給量和切削深度要選擇較小些，而切削速度和切削寬度可以選擇較大些，這樣可以保證在加工激光沉積制造鈦合金時(shí)進(jìn)給力較小.

圖2 各加工參數(shù)對切削力的影響

2.2 表面形貌

在觀測時(shí)均采用中心處的表面形貌，如圖3所示.增材制造Ti6Al4V材料由于其組織及力學(xué)性能發(fā)生改變，而導(dǎo)致其缺陷特征與傳統(tǒng)鈦合金Ti6Al4V材料有所差異，其中缺陷的種類、分布、大小都受到材料性能的影響.在所有加工參數(shù)下，試樣或多或少的均會(huì)出現(xiàn)進(jìn)給劃痕、金屬屑粘結(jié)和硬質(zhì)點(diǎn)缺陷.由圖3a可知，隨著切削過程的進(jìn)行，在切削刃上會(huì)形成一定量的積屑瘤；在不斷增加切削寬度與深度的過程中，加工試件的銑削表面上也會(huì)出現(xiàn)一些周期性的劃痕缺陷現(xiàn)象.由圖3b可知，在加工試件的表面上可能存有一定量的積屑瘤和切屑，由于后刀面擠壓、摩擦等一些因素的影響下，在加工表面上也會(huì)形成粘結(jié)缺陷[13].由圖3c可知，在加工過程中一些碳化物顆粒會(huì)隨著刀具的磨損和工件的加工附著在材料表面上，形成硬質(zhì)點(diǎn)缺陷.這將導(dǎo)致切削過程中的剪切應(yīng)力突然增加，進(jìn)而導(dǎo)致在加工表面內(nèi)部形成殘留的空腔和裂紋，使材料性能降低.

圖3 銑削后出現(xiàn)的典型缺陷

圖4為增材鈦合金表面未熔化粉末顆粒缺陷.由圖4可知，在利用掃描電子顯微鏡對增材樣塊的銑削表面進(jìn)行觀察時(shí)，還會(huì)看到未熔化的粉末顆粒，這是增材鈦合金在加工過程中所獨(dú)有的一種表面缺陷.造成這種缺陷主要與增材件的制備過程有關(guān)，在成形過程中會(huì)存在激光能量輸入不足的情況.當(dāng)激光能量不足時(shí)，各掃描線間不能形成良好的搭接，導(dǎo)致相鄰掃描線間存在未熔顆粒，在后一層的沉積過程中，如果保持前一層所用的能量輸入不變，則很難將掃描線之間的殘余粉末熔化，從而形成形狀不規(guī)則、尺寸大小不一的缺陷.同時(shí)，在已生成未熔化粉末顆粒缺陷的地方，隨著后續(xù)沉積過程的進(jìn)行，缺陷處表面質(zhì)量較差，熔融金屬流動(dòng)性較差，會(huì)使得缺陷逐漸向上擴(kuò)展，有可能形成尺寸較大的穿層缺陷，導(dǎo)致材料的使用性能下降[14].

圖4 增材鈦合金表面未熔化粉末顆粒缺陷

2.3 表面粗糙度

在銑削加工試件的過程中，由于加工試件具有較高的表面粗糙度，所以摩擦力會(huì)增大；另外，在循環(huán)載荷發(fā)揮作用影響下，表面凹谷處一般容易發(fā)生應(yīng)力比較集中的現(xiàn)象，這樣會(huì)促使降低零件的抗疲勞性能.對于樣塊的銑削表面利用ZYGO白光干涉儀進(jìn)行表面粗糙度的測量，為保證精度，采用多次測量取平均值的方法.激光沉積制造鈦合金的表面粗糙度的測量結(jié)果如圖5所示，表面粗糙度極差的分析計(jì)算情況如表4所示.

圖5 激光沉積制造鈦合金表面粗糙度

由表4可以看出，銑削加工參數(shù)對表面粗糙度Ra的影響效果是不同的，影響效果由大到小依次為：切削深度、切削速度、每齒進(jìn)給量、切削寬度.當(dāng)表面粗糙度Ra最小為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，各工藝參數(shù)的大小可以分別選擇為：fz=0.07 mm、vc=30 m/min、ap=0.7 mm、ac=5 mm.

表4 表面粗糙度極差分析計(jì)算

不同加工參數(shù)對表面粗糙度的影響如圖6所示，表面粗糙度的變化趨勢與進(jìn)給力大致相同.隨著每齒進(jìn)給量增大，表面粗糙度先增大后減小.通過分析可知，在每齒進(jìn)給量增大過程中，刀具產(chǎn)生撓度變形而引起系統(tǒng)振動(dòng)；隨著每齒進(jìn)給量繼續(xù)增大，表面粗糙度降低，這主要是因?yàn)檫M(jìn)給力逐漸減小使得刀具與工件間的摩擦也隨之減小[15].隨著切削深度的增加，表面粗糙度最終呈現(xiàn)增大的趨勢，原因在于隨著切削深度的增加，進(jìn)給力增大，產(chǎn)生較大振動(dòng)[16].在切削速度不斷增加的過程中，表面粗糙度呈現(xiàn)出先不斷變大而后逐漸變小的趨勢.這主要是因?yàn)楫?dāng)切削速度較小或較高時(shí)，積屑瘤不容易產(chǎn)生，能夠在很大程度上使得表面粗糙度先增大后減小.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在銑削加工過程中，每齒進(jìn)給量、切削速度要選擇較大值，而切削深度要選擇較小值，可以保證在加工激光沉積制造鈦合金時(shí)得到較好的表面粗糙度.同時(shí)，在增材件的制備過程中由于粉末材料堆積，會(huì)導(dǎo)致成形件的內(nèi)部出現(xiàn)球形氣孔缺陷.在掃描過程中，起始端和末端會(huì)出現(xiàn)激光功率不穩(wěn)定、掃描速度較低、能量輸入較高等現(xiàn)象，導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定，這些均會(huì)導(dǎo)致增材件表面缺陷增多，表面粗糙度惡化[17].

圖6 各加工參數(shù)對表面粗糙度的影響

2.4 亞表面損傷

利用掃描電子顯微鏡HITACHI對樣塊進(jìn)行觀察，在銑削后的亞表面觀察到的裂紋及裂紋深度如圖7所示.由圖7可知，與第三組相比，第五組的裂紋擴(kuò)展深度更深一些，達(dá)到33.28 μm.

圖7 兩種鈦合金樣塊裂紋深度

增材件一方面由于在制造過程中激光的能量較大且集中，材料局部區(qū)域能量輸入較高，使得熔池及其附近部位被迅速加熱，并局部熔化.這部分因受熱而膨脹的材料受到周圍溫度較低的約束，產(chǎn)生壓應(yīng)力.同時(shí)，在凝固冷卻時(shí)受到基體材料冷卻收縮的約束，在熔覆層中容易形成較大的殘余應(yīng)力.當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限時(shí)，裂紋隨之產(chǎn)生.因?yàn)榈谖褰M在加工過程中切削力最大，所以產(chǎn)生的切削熱也最多，材料的表面層部分經(jīng)過快速的升溫和冷卻，處于收縮狀態(tài)，而此時(shí)的基體部分卻是膨脹狀態(tài)，在很大程度上會(huì)使得表面層產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，促使在材料的表面形成一些裂紋.材料的裂紋擴(kuò)展越嚴(yán)重，成形件的疲勞壽命越低.

3 結(jié) 論

本文通過對激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V進(jìn)行銑削試驗(yàn)，探究不同加工參數(shù)對沉積鈦合金Ti6Al4V加工表面完整性的影響，主要參數(shù)包括切削力、表面形貌、表面粗糙度、亞表面損傷.得出的具體結(jié)論如下：

1)在切削力的測量過程中：每齒進(jìn)給量、切削深度對切削力的影響都是比較大的，但是切削寬度對表面粗糙度的影響不是很明顯.一般來說，為了保證在加工激光沉積制造鈦合金時(shí)進(jìn)給力較小，在不影響加工效率的情況下，應(yīng)盡量選擇較小的切削深度，同時(shí)選擇較大的切削速度和切削寬度.

2)在表面形貌的檢測過程中，劃痕、粘結(jié)及硬質(zhì)點(diǎn)缺陷在沉積鈦合金的加工中也會(huì)出現(xiàn)，同時(shí)沉積鈦合金還會(huì)出現(xiàn)未熔化的粉末顆粒缺陷，會(huì)在很大程度上影響成形質(zhì)量.在對加工試件進(jìn)行銑削中，應(yīng)合理優(yōu)化工藝參數(shù)和制備過程，減少表面缺陷的產(chǎn)生.

3)在表面粗糙度的檢測過程中，切削深度對加工試件的表面粗糙度的影響效果最為明顯，但是切削寬度對加工試件表面粗糙度的影響效果最小.一般來說，為了能夠保證加工試件具有良好的表面粗糙度，在不影響加工效率的情況下，應(yīng)保證使用較大的每齒進(jìn)給量和切削速度，同時(shí)選擇較小的切削深度.

4)在亞表面損傷的檢測過程中，工藝參數(shù)的選擇會(huì)對沉積鈦合金的加工產(chǎn)生重要影響.當(dāng)選擇每齒進(jìn)給量fz=0.03 mm、切削速度vc=70 m/min、切削深度ap=0.9 mm、切削寬度ac=5 mm時(shí)，裂紋擴(kuò)展深度較小；而每齒進(jìn)給量fz=0.05 mm、切削速度vc=50 m/min、切削深度ap=0.9 mm、切削寬度ac=4 mm時(shí)，裂紋擴(kuò)展深度較大.